空心芯光纤气体激光器 [邀请稿]

空心细线中的光

想象一根头发般细的玻璃管，其中心不是实心的，而是空的、充满气体。向一端照入合适的光后，气体与光相互作用，不仅仅是透过，而是协同产生强大的新颜色激光光，包括当前技术难以获得的波长。本文综述解释了这种“空心芯光纤气体激光器”的工作原理、构造方式，以及它们为何可能重塑从高速通信到污染检测乃至医疗治疗等应用。

为何空心光纤重要

传统光纤激光器通过实心玻璃芯引导光。这在电信和工业切割所用的熟悉近红外波段表现极佳，但当我们尝试推进到更高功率或非常不同的颜色，尤其是在许多分子强烈吸收的中红外区域时，会遇到基本限制。空心芯光纤则颠倒了这一思路：光主要在空心中心通道中传播，而周围精细的玻璃结构将光束约束起来。由于光几乎不接触玻璃，这些光纤能承受更高功率、畸变更少，并且可以充入作为激光增益介质的气体。这一组合赋予空心芯光纤气体激光器光纤系统的紧凑性与光束质量，以及气体激光器的灵活性。

两类空心芯光纤

文章首先回顾了空心芯光纤自身的发展。早期设计称为光子带隙光纤，使用复杂的微观气孔格栅来囚禁特定波长的光，达到了令人印象深刻但相对窄的传输带宽。新一类的反谐振光纤则依赖薄玻璃壁，像微小镜面一样反射宽带波长。诸如负曲率芯和嵌套毛细管等改进逐步将损耗降至每千米低于0.1分贝，有些情况下优于标准电信光纤。这些进展至关重要：泵浦带和激光带的损耗越低，气体充填光纤在深中红外区域放大或转换光的效率越高。

气体产生新光的两种途径

在空心芯光纤内，气体可以通过两种主要机制驱动激光。对于粒子数反转激光器，泵浦光将气体分子提升到较高的振动能级；当它们回落时，会在特定波长处发射中红外光。精心选择的气体如乙炔、二氧化碳、溴化氢和一氧化碳可在约3–5微米处产生发射，这是一个科学与技术上都重要但固体玻璃光纤难以触及的波段。第二种途径——受激拉曼散射——不需要匹配尖锐的吸收线。相反，强烈的泵浦光将能量传递给分子振动，使光的颜色逐级移动。使用氢、甲烷和氘等合适气体，这种方法已产生从紫外到中红外的激光谱线，包括在约1.15微米处创纪录的110瓦输出。

功率、波长与实用设计

综述强调了性能和工程方面的快速进展。对于粒子数反转系统，充乙炔的光纤在约3.1微米处已达到超过20瓦的输出，而二氧化碳和溴化氢在近4微米处已产生数瓦级光束。细致的热管理、巧妙的气室设计以及日益低损耗的嵌套光纤是这些进展的关键。对于基于拉曼的系统，研究者已构建出自由空间与全熔接的全光纤方案，有时使用光纤布拉格光栅形成紧凑的谐振腔。级联阶段可以将标准1微米泵浦激光逐步转换到近3微米或更远。除实验工作外，详细模型现在指导气体压力、光纤长度和泵浦格式的选择，以在阈值、效率与光束质量之间取得平衡。

面向真实应用的前景

尽管仍属年轻技术，空心芯光纤气体激光器已在具有挑战性的光谱区域与传统稀土掺杂光纤竞争，甚至在某些利基市场上超越它们。作者预见通过先进的泵浦架构、气体混合物甚至可透射更远中红外的替代玻璃类型，可进一步扩大量级输出。他们还讨论了通过将空心光纤直接熔接到标准实心光纤以实现极低损耗和最小反向反射来简化硬件的方法。如果当前趋势持续，这些由光与气体构成的空心细线有望成为遥感、远距离数据链路、精密光谱学与工业加工的实用光源——在曾被认为难以触及的波长上提供明亮、纯净的光束。

引用: Wang, Z., Pei, W., Zhou, Z. et al. Hollow-core fiber gas lasers [Invited]. Light Sci Appl 15, 208 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02256-y

关键词: 空心芯光纤, 气体激光器, 中红外, 受激拉曼散射, 光纤光学